小功率直流穩壓電源設計

孫曉丹，代忠紅，寧平華

（馬鞍山職業技術學院 技師學院，安徽 馬鞍山 243000）

1 概 述

直流穩壓電源能夠將交流電轉換成比較穩定的直流電。當負載改變或者電網的電壓產生一定的波動時，可以實現輸出的直流電基本保持不變。小功率直流穩壓電源主要由半導體器件構成，主要組成包括電源變壓器、整流電路、濾波電路以及穩壓電路4個部分。其中電源變壓器將電網電壓變為所需要的電壓，整流電路將交流電轉變成直流電，濾波電路濾除脈動直流電中的交流分量，穩壓電路穩定直流電壓。

2 電路設計

2.1 橋式整流電容濾波電路設計

本設計采用橋式整流電容濾波，橋式整流可以選用4個整流二極管或者整流橋堆，利用二極管的單向導電性將交流電轉變成脈動的直流電。電容濾波利用電容兩端的電壓不能突變來濾除脈動直流電中的交流分量，通常是在負載電阻兩端并聯大容量電容器C，一般選用電解電容。

電路組成電路如圖1所示，利用Multisim軟件對該設計電路的輸出電壓波形仿真結果如圖2所示。

圖1 橋式整流電容濾波

圖2 橋式整流電容濾波電路輸出波形仿真

電源電壓經降壓變壓器降壓后輸出u2。當u2處于正半周期時，二極管D1和D3因正偏導通，D2和D4因反偏截止，當u2處于負半周期時，二極管D2和D4因正偏導通，而D1和D3因反偏截止。輸出波形如圖2（a）所示，為全波脈動直流電。當負載兩端并聯電容后，輸出電壓脈動程度明顯減小，輸出波形如圖3（b）所示。當輸入電壓上升超過電容端電壓時，電容C迅速充電（同時向負載供電），其兩端電壓（即負載兩端電壓）同步上升并達到其最大值。當輸入電壓下降到低于電容端電壓時，電容通過負載RL放電，由于RL遠遠大于二極管的正向內阻，所以放電緩慢，電容兩端電壓緩慢下降。

2.2 穩壓電路的設計

電網電壓經橋式整流電容濾波路后輸出的電壓仍不穩定，主要原因有兩方面，一是電網電壓的波動，二是負載的變化。為了保持輸出電壓穩定，通常需要在濾波電路之后接入穩壓電路。本設計采用穩壓二極管實現穩壓功能，穩壓二極管工作在反向擊穿區域時，流過穩壓二極管的電流在相當大的范圍內變化，其兩端的電壓基本保持不變。利用穩壓二極管的這一特性實現電源的穩壓功能。小功率直流穩壓電源原理如圖3所示。

圖3 小功率直流穩壓電源原理圖

其穩壓調節過程如下。電網電壓增加導致濾波后電壓UI增加，一方面使得輸出直流電壓UO增加（UO=UI-UR)，穩壓管的反向電壓UDZ增加。另一方面使得穩壓管的反向電流IDZ大幅增加，導致限流電阻R的電流IR大幅增加（IR=IDZ+IO)，電壓UR大幅增加，輸出直流電壓UO下降,最終趨于穩定。電網電壓下降時，穩壓調節過程與上述類似。

當負載電阻變化時，若RL增加，一方面導致輸出直流電流IO減小，限流電阻R的電流IR減小（IR=IDZ+IO)，電壓UR減小，輸出直流電壓UO增加。另一方面導致穩壓管的反向電流IDZ大幅增加，限流電阻R的電流IR和電壓UR大幅增加，輸出直流電壓UO下降，最終趨于穩定。其中，IO為負載RL中的電流。

3 主要元器件參數選擇

如圖3所示，變壓器主繞組電壓為電網電壓，是屬于有效值為220 V，頻率為50 Hz的交流電。設副繞組輸出電壓表達式為：

式中，u2表示交流電壓的瞬時值；U2表示交流電的有效值。

為了獲得較好的濾波效果，在選擇濾波電容時其放電時間常數τ應滿足τ=RLC=（3～5）T/2，還應考慮耐壓值。其中T為電源電壓周期，對于50 Hz的交流電壓，T=0.02 s。當放電常數該條件時，橋式整流電容濾波輸出電壓平均值UO(AV)≈1.2U2

橋式整流電容濾波輸出電流平均值為：

式中，IO(AV)表示負載RL中的平均電流值。

由于二極管D1、D3和D2、D4輪換導通，所以整流二極管電流平均值是輸出電流平均值的一半，即：

式中，ID(AV)表示流過二極管D1、D3、D2以及D4中的平均電流值。

從圖2的電容濾波輸出波形可知，只有當整流輸出脈動電壓大于電容電壓時二極管才正偏導通，二極管導通角小于180°。由于二極管導通角小，在導通期間所承受的沖擊電流較大，且放電時間常數τ越大，二極管導通角越小，二極管沖擊電流越大。因而在選擇二極管時，其額定整流電流值除大于ID(AV)外，還應留有充分余量，以保證二極管安全可靠運行。

對于穩壓二極管的選擇，工程上一般選擇穩壓二極管的穩定電壓UZ=UO。如圖3所示電路，交流電電網電壓為220 V，頻率50 Hz，假設輸出直流電壓UO=30 V，負載電阻RL=120 Ω，試估算變壓器副繞組電壓U2，并選擇整流二極管和穩壓管。

綜上分析，交流電周期T=0.02 s，取τ=RLC=（3～5）T/2≈4T/2 s=0.04 s，則：

整流二極管的電流平均值為：

整流二極管最高反向電壓為：

選擇整流二極管，額定整流電流IF=300 mA，最高反向工作電壓UR=100 V。

選擇耐壓50 V的濾波電容，其容量為：

穩壓二極管選擇UZ=UO=30 V

4 結 論

本文所設計的小功率直流穩壓電源簡單實用，各項性能指標均比較正常，輸出的電壓脈動成分較小，平均值較高，適用于負載電流較小且變化不大的場合。由于其性能容易受溫度影響，在溫度適應性方面還存在著不足，因此仍需要對電路做進一步的優化設計。穩壓管穩壓電路只適用于小負載場合，若要提高負載的驅動力，可考慮引入電壓串聯負反饋來優化。電路焊接時如果出現整流二極管的反接，將造成變壓器副繞組短路，因此可考慮加裝保護元件等。這些都是今后需要進一步研究和改進的方向。